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电化学梯度

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跨半渗透细胞膜的离子浓度和电荷图。

电化学梯度(英语:electrochemical gradient)是离子运动而产生的电化学势能英语Electrochemical potential[1][2]梯度,通常包括电位梯度和浓度梯度。电化学势能是一种维持细胞生命活动的势能。这一能量以化学势的形式存储,表现为细胞膜两侧的离子浓度梯度。当穿过可渗透膜的离子浓度不相等时,离子将通过简单的扩散穿过膜从高浓度区域移动到低浓度区域。 离子还携带电荷,在膜上形成电势。 如果跨膜的电荷分布不均,则电势差会产生驱动离子扩散的力,直到膜两侧的电荷平衡[3]

定义

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电化学梯度是电化学势的梯度:

, 其中
  • 离子种类的化学势
  • 离子种类的化合价
  • F, 法拉第常数
  • 局部电势

概述

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电化学势在电分析化学和工业应用(如电池和燃料电池)中很重要。 它代表了许多可互换的势能形式之一,通过它能量可以被保存。

在生物过程中,离子通过扩散作用主动运输跨膜移动的方向由电化学梯度决定。 在线粒体叶绿体中,质子梯度用于产生化学渗透势(chemiosmotic potential),也称为质子动力(proton-motive force)。 这种势能分别用于通过氧化磷酸化光合磷酸化合成ATP[4]

生物学背景

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通过跨细胞膜的离子运动产生跨膜电势驱动生物过程,如神经传导、肌肉收缩激素分泌感觉过程。 按照惯例,典型的动物细胞在细胞内部相对于外部具有 -50 mV 至 -70 mV 的跨膜电位[5]

电化学梯度还在线粒体氧化磷酸化中建立质子梯度方面发挥作用。

离子梯度

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Na+-K+-ATPase钠钾泵的图。

由于离子带电,它们不能通过简单的扩散穿过膜。 两种不同的机制可以跨膜运输离子:主动运输被动运输。离子主动转运的一个例子是Na+/K+-ATPase(NKA)。NKA 催化 ATP 水解为 ADP 和无机磷酸盐,每水解一个 ATP 分子,三个Na+被转运到细胞外,两个K+被转运到细胞内。这使得细胞内部比外部更负,更具体地产生约-60mV的膜电位 Vmembrane[6]。 被动传输的一个例子是通过Na+, K+, Ca2+和Cl通道的离子通道。 这些离子倾向于向下移动它们的浓度梯度。

参见

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参考文献

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  1. ^ electrochemical potential. 国家教育研究院. [2017-01-04]. (原始内容存档于2017-01-04). 
  2. ^ The use of the term "Fermi energy" as synonymous with Fermi level (a.k.a. electrochemical potential) is widespread in semiconductor physics. For example: Electronics (fundamentals And Applications)页面存档备份,存于互联网档案馆) by D. Chattopadhyay, Semiconductor Physics and Applications页面存档备份,存于互联网档案馆) by Balkanski and Wallis.
  3. ^ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman. 2013: 403. ISBN 978-1-4292-3414-6. 
  4. ^ Nath, Sunil; Villadsen, John. Oxidative phosphorylation revisited. Biotechnology and Bioengineering. 2015-03-01, 112 (3): 429–437. ISSN 1097-0290. PMID 25384602. S2CID 2598635. doi:10.1002/bit.25492 (英语). 
  5. ^ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman. 2013: 464. ISBN 978-1-4292-3414-6. 
  6. ^ Aperia, Anita; Akkuratov, Evgeny E.; Fontana, Jacopo Maria; Brismar, Hjalmar. Na+-K+-ATPase, a new class of plasma membrane receptors. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 2016-04-01, 310 (7): C491–C495 [2022-07-03]. ISSN 0363-6143. PMID 26791490. doi:10.1152/ajpcell.00359.2015可免费查阅. (原始内容存档于2022-07-03) (英语). 

参考文献

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